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第37章 电的发现——电磁感应原理

1820年,奥斯特的论文发表后,在科学界引起了强烈的反响。既然电与磁有密切关系,电能产生磁效应,那么很自然地会想到它的逆效应——磁能产生电吗?此后十多年,当时许多著名的科学家,如安培、菲涅耳、阿拉果、德拉里夫等一大批科学家都投身于探索磁电关系的研究中。他们用各种很强的磁场试图产生电流,但均无结果,究其原因是没有认识到电磁变化的运动本质,因此十余年中研究进展不大。直到奥斯特的发现约10年后,英国物理学家法拉第(1791—1867)和美国物理学家亨利(1797—1878)才各自独立完成了这一科学壮举。

1821年,英国化学家戴维(1778—1829)和英国物理学家沃拉斯通(1766—1828)重复了奥斯特的实验,并且试图用固定的强磁铁使载流导线绕轴旋转,但没有成功。法拉第受他们的启发,在同年设计了一个实验模型,实现了小磁针绕轴连续转动。这使他相信,电流对磁铁的作用力本质上是圆形的。法拉第的实验装置大概是历史上第一台电动机,虽然仅仅是模型,但不久就深刻改变了世界面貌。

法拉第也坚信存在磁的电效应。在1822年的日记中曾经写道:“从普通的磁中获得电的希望,时时激励着我从实验上去探求电流感应现象”。为此他努力了10年,直到1831年8月29日才获得突破。他用一个外径6英寸的软铁圆环,其上各绕两个线圈,一个线圈与电源连通,另一个线圈与电流计连通,当通电或断电的瞬间,在另一个线圈中的电流计指针发生偏转后又归零。但此时他并不理解这一现象,后来的几个月里,他又设计了几十个实验进一步研究这一现象,使他领悟到“作用不是持久的,而纯属瞬时的推或拉”,他把这一过程中产生的电流称为感生电流。1831年11月24日,法拉第向皇家学会提交了论文,报告了他的发现。文中总结了五类产生感生电流的情况,核心是闭合回路的磁通量发生变化,并把这一现象定名为“电磁感应”。同年12月,他表演了一个实验,他把铜盘装在水平的轴上,使铜盘转动时其边缘通过一个蹄形磁铁,当盘转动起来,所产生的感生电流由轴上引出,通过电线再回到铜盘边缘,这实质上是具有里程碑意义的第一台发电机,一位在场的女士讥笑地问“您的发明有什么用呢?”法拉第幽默地回答:“夫人,新生的婴儿又有什么用呢?”

应该提到,美国物理学家亨利(1797—1878)差不多与法拉第同时发现了电磁感应。1827年8月,亨利在研制电磁铁时而发现了自感现象。1830年8月,他又初步发现了电流引起的磁场在通电或断电时能产生瞬间的电流。亨利的实验时间均在法拉第之前,但他的实验结果在1832年才发表,叙述了在了解法拉第的工作前后的研究,因此人们还是将电磁感应现象的发现归功于法拉第。1833年,俄国物理学家楞茨(1804—1863)提出判断感生电流方向的方法,现在称之为楞茨定律。

但这是历史的公正,法拉第不仅独立发现了电磁感应现象,其研究的深度和广度远超过其他学者,而且打破了当时盛行的超距作用观,天才地创造了“场”和“力线”概念,建立了电磁感应定律。利用力线概念,法拉第进一步解释了电磁感应现象。1851年,《论磁力线》一文对电磁感应定律作了较完善的表述:“只要导线垂直切割磁力线就能够形成电流,电流的大小正比于切割的磁力线数”。

法拉第已经从实验中知道,电介质能够影响带电体之间的电磁作用,说明电磁作用力均需要媒介传递。他设想,带电体或磁体周围存在一种由电磁本身产生的连续介质来传递电磁的相互作用,这种无形的介质,被他称做“场”。他又引入了“力线”的概念以表示电场和磁场的空间分布。力线上各点的切线方向即为力场在该点的力向,曲线的密集程度表示力场的强弱程度,磁力线永远是闭合曲线。力线的概念使非常抽象的场获得了形象化的直观表示,而“场”的概念又是对牛顿以后物理学基本概念的重大发展,标志着经典物理学发展的一个新的转折时期,预示了物理学新时代的来临。1845年,法拉第发现了磁的旋光效应,即著名的法拉第效应。次年,他又创造性地提出光的本性是电力线和磁力线的振动,这一观点后来被麦克斯韦发展成为光的电磁说。

法拉第被公认为是19世纪最伟大的实验物理学家。但他一生淡泊名利,醉心于科学研究,凭借丰富的想象力和高超的实验才能,使他的科学见解远超过了那个时代,他的电磁感应规律开启了电气时代的大门。遗憾的是,法拉第从小没受过正规教育,欠缺高超的数学能力,无法用严密的数学语言提炼他的研究成果,这一工作是由伟大的物理学家麦克斯韦完成的。

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